JP6971664B2 - 基板研磨装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨する研磨部材のプロファイル調整方法及び研磨装置に関するものである。

半導体デバイスの高集積化が進むにつれて、回路の配線が微細化し、集積されるデバイスの寸法もより微細化されつつある。そこで、表面に例えば金属等の膜が形成されたウェハを研磨して、ウェハの表面を平坦化する工程が必要となっている。この平坦化法の一つとして、化学機械研磨（ＣＭＰ）装置による研磨がある。化学機械研磨装置は、研磨部材（研磨布、研磨パッド等）と、ウェハ等の研磨対象物を保持する保持部（トップリング、研磨ヘッド、チャック等）とを有している。そして、研磨対象物の表面（被研磨面）を研磨部材の表面に押し当て、研磨部材と研磨対象物との間に研磨液（砥液、薬液、スラリー、純水等）を供給しつつ、研磨部材と研磨対象物とを相対運動させることにより、研磨対象物の表面を平坦に研磨するようにしている。

このような化学機械研磨装置に用いられる研磨部材の材料としては、一般に発泡樹脂や不織布が用いられている。研磨部材の表面には微細な凹凸が形成されており、この微細な凹凸は、目詰まり防止や研磨抵抗の低減に効果的なチップポケットとして作用する。しかし、研磨部材で研磨対象物の研磨を続けると、研磨部材表面の微細な凹凸が潰れてしまい、研磨レートの低下を引き起こす。このため、ダイヤモンド粒子などの多数の砥粒を電着させたドレッサで研磨部材表面のドレッシング（目立て）を行い、研磨部材表面に微細な凹凸を再形成する。

研磨部材のドレッシング方法としては、例えば回転するドレッサを移動（円弧状や直線状に往復運動、揺動）させながら、ドレッシング面を回転している研磨部材に押し付けてドレッシングする。研磨部材のドレッシングの際に、微量ではあるが研磨部材の表面が削り取られる。したがって、適切にドレッシングが行われないと研磨部材の表面に不適切なうねりが生じ、被研磨面内で研磨レートのばらつきが生じるという不都合がある。研磨レートのばらつきは、研磨不良の原因となるため、研磨部材の表面に不適切なうねりを生じさせないように、ドレッシングを適切に行う必要がある。即ち、研磨部材の適切な回転速度、ドレッサの適切な回転速度、適切なドレッシング荷重、ドレッサの適切な移動速度といった、適切なドレッシング条件でドレッシングを行うことで研磨レートのばらつきを回避している。

また、特許文献１に記載の研磨装置では、ドレッサの揺動方向に沿って複数の揺動区間を設定するとともに、各揺動区間における研磨部材の表面高さの測定値から得られた現在のプロファイルと、目標プロファイルとの差分を計算し、その差分がなくなるように各揺動区間でのドレッサの移動速度を補正するようにしている。

特開２０１４−１６１９４４号公報

しかしながら、上記特許文献に記載の補正方法によっても、例えば目標プロファイルとの差分が大きい場合には、各揺動区間におけるドレッサ移動速度の変動量が大きくなってしまい、ドレッサ移動速度が安定せず、その結果、意図した研磨部材のプロファイルが得られないことがあった。

本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたもので、目標とする研磨部材のプロファイルを実現することができる研磨部材のプロファイル調整方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような研磨部材のプロファイル調整方法を実行することができる研磨装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る研磨装置は、揺動方向に沿って研磨部材上に設定された複数のスキャンエリアにおいて揺動速度を調整可能とされるドレッサと、当該ドレッサの揺動方向に沿って研磨部材上に予め設定された複数のモニタエリアにおいて研磨部材の表面高さを測定する高さ検出部と、複数のモニタエリア、スキャンエリア及びドレスモデルから定義されるドレスモデル行列を作成するドレスモデル行列作成部と、ドレスモデルと各スキャンエリアにおける揺動速度もしくは滞在時間を用いて高さプロファイル予測値を計算し、研磨部材の高さプロファイルの目標値からの差分に基づき評価指標を設定する評価指標作成部と、当該評価指標に基づいて、ドレッサの各スキャンエリアにおける揺動速度を算出する移動速度算出部と、を備えたことを特徴とする。

上記の研磨装置において、評価指標作成部は、スキャンエリアの移動速度と移動速度基準値との差分に基づいて、評価指標を設定することが好ましい。また、評価指標作成部は、隣接するスキャンエリアの移動速度の差分、あるいは、隣接する前記スキャンエリアの移動速度の基準値の差分に基づいて、評価指標を設定することが好ましい。さらに、評価指標作成部は、研磨部材の高さプロファイルの目標値からの差分と、移動速度の基準値からの差分と隣接するスキャンエリアの移動速度差分について、重み付け係数を設定することが好ましい。

また、複数のモニタエリアにおける前記研磨部材のカットレートを算出するカットレート算出部を備えることが好ましい。さらに、表面高さの測定値より研磨部材のカットレートを記憶するメモリ部を備え、当該記憶されたカットレートに基づいて研磨部材の高さプロファイルを推定するように構成することが好ましい。

ドレッサの揺動速度の算出条件として、ドレッサが各スキャンエリアに滞在する時間の合計時間、及び／またはドレッサの揺動速度の上限値及び下限値に制約を持たせることが好ましい。また、ドレッサの揺動速度の算出するために、評価指標を最小とする最適化計算を実施しても良く、当該最適化計算は二次計画法であることが好ましい。

本発明の一態様は、基板の研磨装置に使用される研磨部材上でドレッサを揺動させて該研磨部材をドレッシングする方法であって、ドレッサは揺動方向に沿って前記研磨部材上に設定された複数のスキャンエリアにおいて揺動速度を調整可能とされており、ドレッサの揺動方向に沿って研磨部材上に予め設定された複数のモニタエリアにおいて研磨部材の表面高さを測定するステップと、モニタエリア、スキャンエリア及びドレスモデルから定義されるドレスモデル行列を作成するステップと、ドレスモデルと各スキャンエリアにおける揺動速度もしくは滞在時間を用いて高さプロファイル予測値を計算するステップと、研磨部材の高さプロファイルの目標値からの差分に基づき評価指標を設定するステップと、当該評価指標に基づいてドレッサの各スキャンエリアにおける揺動速度を設定するステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、研磨部材の目標減耗量との差分と、ドレッサ移動速度の基準値との差分、及び、隣接するエリアでの移動速度の差分に基づいて評価指標を設定し、当該評価指標の値に基づいてドレッサの移動速度を補正するようにしたので、ドレッサの移動速度をより適切に制御することができ、それにより目標とする研磨部材のプロファイルを実現することができる。

ウェハなどの基板を研磨する研磨装置を示す模式図である。 ドレッサおよび研磨パッドを模式的に示す平面図である。 研磨パッド上に設定されたスキャンエリアの一例を示す図である。 研磨パッドのスキャンエリアとモニタエリアの関係を示す説明図である。 ドレッサ監視装置の構成の一例を示すブロック図である。 各スキャンエリアにおける研磨パッド高さのプロファイル推移の一例を示す説明図である。 各スキャンエリアにおけるドレッサ移動速度と基準値の一例を示す説明図である。 ドレッサの移動速度の調整手順の一例を示すフローチャートである。 研磨パッド高さの推定方法の一例を示す説明図である。

図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置を示す模式図である。研磨装置は、ウェハを研磨し、洗浄し、乾燥させる一連の工程を行うことができる基板処理装置に設けられる。

図１に示すように、研磨装置は、ウェハＷを研磨するための研磨ユニット１０と、研磨パッド（研磨部材）１１を保持する研磨テーブル１２と、研磨パッド１１上に研磨液を供給する研磨液供給ノズル１３と、ウェハＷの研磨に使用される研磨パッド１０をコンディショニング（ドレッシング）するドレッシングユニット１４とを備えている。研磨ユニット１０およびドレッシングユニット１４は、ベース１５上に設置されている。

研磨ユニット１０は、トップリングシャフト２１の下端に連結されたトップリング（基板保持部）２０を備えている。トップリング２０は、その下面にウェハＷを真空吸着により保持するように構成されている。トップリングシャフト２１は、図示しないモータの駆動により回転し、このトップリングシャフト２１の回転により、トップリング２０およびウェハＷが回転する。トップリングシャフト２１は、図示しない上下動機構（例えば、サーボモータおよびボールねじなどから構成される上下動機構）により研磨パッド１１に対して上下動するようになっている。

研磨テーブル１２は、その下方に配置されるモータ２２に連結されている。研磨テーブル１２は、その軸心まわりにモータ２２によって回転される。研磨テーブル１２の上面には研磨パッド１１が貼付されており、研磨パッド１１の上面がウェハＷを研磨する研磨面１１ａを構成している。

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング２０および研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、研磨パッド１１上に研磨液を供給する。この状態で、ウェハＷを保持したトップリング２０を下降させ、さらにトップリング２０内に設置されたエアバッグからなる加圧機構（図示せず）によりウェハＷを研磨パッド１１の研磨面１１ａに押し付ける。ウェハＷと研磨パッド１１とは研磨液の存在下で互いに摺接され、これによりウェハＷの表面が研磨され、平坦化される。

ドレッシングユニット１４は、研磨パッド１１の研磨面１１ａに接触するドレッサ２３と、ドレッサ２３に連結されたドレッサ軸２４と、ドレッサ軸２４の上端に設けられたエアシリンダ２５と、ドレッサ軸２４を回転自在に支持するドレッサアーム２６とを備えている。ドレッサ２３の下面にはダイヤモンド粒子などの砥粒が固定されている。ドレッサ２３の下面は、研磨パッド１１をドレッシングするドレッシング面を構成する。

ドレッサ軸２４およびドレッサ２３は、ドレッサアーム２６に対して上下動可能となっている。エアシリンダ２５は、研磨パッド１１へのドレッシング荷重をドレッサ２３に付与する装置である。ドレッシング荷重は、エアシリンダ２５に供給される空気圧により調整することができる。

ドレッサアーム２６はモータ３０に駆動されて、支軸３１を中心として揺動するように構成されている。ドレッサ軸２４は、ドレッサアーム２６内に設置された図示しないモータにより回転し、このドレッサ軸２４の回転により、ドレッサ２３がその軸心まわりに回転する。エアシリンダ２５は、ドレッサ軸２４を介してドレッサ２３を所定の荷重で研磨パッド１１の研磨面１１ａに押圧する。

研磨パッド１１の研磨面１１ａのコンディショニングは次のようにして行われる。研磨テーブル１２および研磨パッド１１をモータ２２により回転させ、図示しないドレッシング液供給ノズルからドレッシング液（例えば、純水）を研磨パッド１１の研磨面１１ａに供給する。さらに、ドレッサ２３をその軸心まわりに回転させる。ドレッサ２３はエアシリンダ２５により研磨面１１ａに押圧され、ドレッサ２３の下面（ドレッシング面）を研磨面１１ａに摺接させる。この状態で、ドレッサアーム２６を旋回させ、研磨パッド１１上のドレッサ２３を研磨パッド１１の略半径方向に揺動させる。研磨パッド１１は、回転するドレッサ２３により削り取られ、これにより研磨面１１ａのコンディショニングが行われる。

ドレッサアーム２６には、研磨面１１ａの高さを測定するパッド高さセンサ（表面高さ測定機）３２が固定されている。また、ドレッサ軸２４には、パッド高さセンサ３２に対向してセンサターゲット３３が固定されている。センサターゲット３３は、ドレッサ軸２４およびドレッサ２３と一体に上下動し、一方、パッド高さセンサ３２の上下方向の位置は固定されている。パッド高さセンサ３２は変位センサであり、センサターゲット３３の変位を測定することで、研磨面１１ａの高さ（研磨パッド１１の厚さ）を間接的に測定することができる。センサターゲット３３はドレッサ２３に連結されているので、パッド高さセンサ３２は、研磨パッド１１のコンディショニング中に研磨面１１ａの高さを測定することができる。

パッド高さセンサ３２による研磨面１１ａの高さの測定は、研磨パッドの半径方向において区分された複数の所定の領域（モニタエリア）にて行われる。パッド高さセンサ３２は、研磨面１１ａに接するドレッサ２３の上下方向の位置から研磨面１１ａを間接的に測定する。したがって、ドレッサ２３の下面（ドレッシング面）が接触している領域（あるモニタエリア）研磨面１１ａの高さの平均がパッド高さセンサ３２によって測定され、複数のモニタエリアにおいて研磨パッドの高さを測定することで、研磨パッドのプロファイル（研磨面１１ａの断面形状）を得ることができる。パッド高さセンサ３２としては、リニアスケール式センサ、レーザ式センサ、超音波センサ、または渦電流式センサなどのあらゆるタイプのセンサを用いることができる。

パッド高さセンサ３２は、ドレッシング監視装置３５に接続されており、パッド高さセンサ３２の出力信号（すなわち、研磨面１１ａの高さの測定値）がドレッシング監視装置３５に送られるようになっている。ドレッシング監視装置３５は、研磨面１１ａの高さの測定値から、研磨パッド１１のプロファイルを取得し、さらに研磨パッド１１のコンディショニングが正しく行われているか否かを判定する機能を備えている。

研磨装置は、研磨テーブル１２および研磨パッド１１の回転角度を測定するテーブルロータリエンコーダ３６と、ドレッサ２３の旋回角度を測定するドレッサロータリエンコーダ３７とを備えている。これらテーブルロータリエンコーダ３６およびドレッサロータリエンコーダ３７は、角度の絶対値を測定するアブソリュートエンコーダである。これらのロータリエンコーダ３６，３７はドレッシング監視装置３５に接続されており、ドレッシング監視装置３５はパッド高さセンサ３２による研磨面１１ａの高さ測定時における、研磨テーブル１２および研磨パッド１１の回転角度、さらにはドレッサ２３の旋回角度を取得することができる。

ドレッサ２３は、自在継ぎ手１７を介してドレッサ軸２４に連結されている。ドレッサ軸２４は図示しないモータに連結されている。ドレッサ軸２４はドレッサアーム２６に回転自在に支持されており、このドレッサアーム２６により、ドレッサ２３は研磨パッド１１に接触しながら、図２に示すように研磨パッド１１の半径方向に揺動するようになっている。自在継ぎ手１７は、ドレッサ２３の傾動を許容しつつ、ドレッサ軸２４の回転をドレッサ５に伝達するように構成されている。ドレッサ２３、自在継ぎ手１７、ドレッサ軸２４、ドレッサアーム２６、および図示しない回転機構などにより、ドレッシングユニット１４が構成されている。このドレッシングユニット１４には、ドレッサ２３の摺動距離や摺動速度を算出するドレッシング監視装置３５が電気的に接続されている。このドレッシング監視装置３５としては、専用または汎用のコンピュータを用いることができる。

ドレッサ２３の下面にはダイヤモンド粒子などの砥粒が固定されている。この砥粒が固定されている部分が、研磨パッド１１の研磨面をドレッシングするドレッシング面を構成している。ドレッシング面の態様としては、円形ドレッシング面（ドレッサ２３の下面全体に砥粒が固定されたドレッシング面）、リング状ドレッシング面（ドレッサ２３の下面の周縁部に砥粒が固定されたドレッシング面）、あるいは、複数の円形のドレッシング面（ドレッサ２３の中心まわりに略等間隔に配列された複数の小径ペレットの表面に砥粒が固定されたドレッシング面）を適用することができる。なお、本実施例におけるドレッサ２３には、円形ドレッシング面が設けられている。

研磨パッド１１をドレッシングするときは、図１に示すように、研磨パッド１１を矢印の方向に所定の回転速度で回転させ、ドレッサ２３を図示しない回転機構によって矢印の方向に所定の回転速度で回転させる。そして、この状態で、ドレッサ２３のドレッシング面（砥粒が配置された面）を研磨パッド１１に所定のドレッシング荷重で押圧して研磨パッド１１のドレッシングを行う。また、ドレッサアーム２６によってドレッサ２３が研磨パッド１１上を揺動することによって、研磨パッド１１の研磨で使用される領域（研磨領域、すなわちウェハ等の研磨対象物を研磨する領域）をドレッシングすることができる。

ドレッサ２３が自在継ぎ手１７を介してドレッサ軸２４に連結されているので、ドレッサ軸２４が研磨パッド１１の表面に対して少し傾いていても、ドレッサ２３のドレッシング面は研磨パッド１１に適切に当接される。研磨パッド１１の上方には、研磨パッド１１の表面粗さを測定するパッド粗さ測定器３８が配置されている。このパッド粗さ測定器３８としては、光学式などの公知の非接触型の表面粗さ測定器を使用することができる。パッド粗さ測定器３８はドレッシング監視装置３５に接続されており、研磨パッド１１の表面粗さの測定値がドレッシング監視装置３５に送られるようになっている。

研磨テーブル１２内には、ウェハＷの膜厚を測定する膜厚センサ（膜厚測定機）３９が配置されている。膜厚センサ３９は、トップリング２０に保持されたウェハＷの表面を向いて配置されている。膜厚センサ３９は、研磨テーブル１２の回転に伴ってウェハＷの表面を横切って移動しながら、ウェハＷの膜厚を測定する膜厚測定機である。膜厚センサ３９としては、渦電流センサ、光学式センサなどの非接触タイプのセンサを用いることができる。膜厚の測定値は、ドレッシング監視装置３５に送られる。ドレッシング監視装置３５は、膜厚の測定値からウェハＷの膜厚プロファイル（ウェハＷの半径方向に沿った膜厚分布）を生成するように構成されている。

次に、ドレッサ２３の揺動について図２を参照して説明する。ドレッサアーム２６は、点Ｊを中心として時計回りおよび反時計回りに所定の角度だけ旋回する。この点Ｊの位置は図１に示す支軸３１の中心位置に相当する。そして、ドレッサアーム２６の旋回により、ドレッサ２３の回転中心は、円弧Ｌで示す範囲で研磨パッド１１の半径方向に揺動する。

図３は、研磨パッド１１の研磨面１１ａの拡大図である。図３に示すように、ドレッサ２３の揺動範囲（揺動幅Ｌ）は、複数の（図３の例では７つの）スキャンエリア（揺動区間）Ｓ１〜Ｓ７に分割されている。これらのスキャンエリアＳ１〜Ｓ７は、研磨面１１ａ上に予め設定された仮想的な区間であり、ドレッサ２３の揺動方向（すなわち研磨パッド１１の概ね半径方向）に沿って並んでいる。ドレッサ２３は、これらスキャンエリアＳ１〜Ｓ７を横切って移動しながら、研磨パッド１１をドレッシングする。これらスキャンエリアＳ１〜Ｓ７の長さは、互いに同一であってもよく、または異なっていてもよい。

図４は、研磨パッド１１のスキャンエリアＳ１〜Ｓ７とモニタエリアＭ１〜Ｍ１０の位置関係を示す説明図であり、図の横軸は研磨パッド１１の中心からの距離を表している。本実施形態では、７つのスキャンエリアと１０のモニタエリアが設定された場合を例にしているが、これらの数は適宜変更することができる。また、スキャンエリアの両端からドレッサ２３の半径に相当する幅の領域においては、パッドプロファイルの制御が困難であることから、内側（パッド中心からＲ１〜Ｒ３の領域）と外側（パッド中心からＲ４〜Ｒ２の領域）にモニタ除外幅を設けているが、必ずしも除外幅を設ける必要はない。

研磨パッド１１上を揺動しているときのドレッサ２３の移動速度は、スキャンエリアＳ１〜Ｓ７ごとに予め設定されており、また適宜調整することができる。ドレッサ２３の移動速度分布は、それぞれのスキャンエリアＳ１〜Ｓ７でのドレッサ２３の移動速度を表している。

ドレッサ２３の移動速度は、研磨パッド１１のパッド高さプロファイルの決定要素のうちの１つである。研磨パッド１１のカットレートは、単位時間あたりにドレッサ２３によって削り取られる研磨パッド１１の量（厚さ）を表す。等速でドレッサを移動させた場合、通常、各スキャンエリアにおいて削り取られる研磨パッド１１の厚さはそれぞれ異なるため、カットレートの数値もスキャンエリアごとに異なる。しかし、パッドプロファイルは、通常、初期形状を維持することが好ましいため、スキャンエリア毎の削れ量の差が小さくなるように移動速度を調整する。

ここで、ドレッサ２３の移動速度を上げるということは、ドレッサ２３の研磨パッド１１上での滞在時間を短くすること、すなわち研磨パッド１１の削り量を下げることを意味する。一方、ドレッサ２３の移動速度を下げるということは、ドレッサ２３の研磨パッド１１上での滞在時間を長くすること、すなわち研磨パッド１１の削り量を上げることを意味する。したがって、あるスキャンエリアでのドレッサ２３の移動速度を上げることにより、そのスキャンエリアでの削れ量を下げることができ、あるスキャンエリアでのドレッサ２３の移動速度を下げることにより、そのスキャンエリアでの削れ量を上げることができる。これにより、研磨パッド全体のパッド高さプロファイルを調節することができる。

図５に示すように、ドレッシング監視装置３５は、ドレスモデル設定部４１、ベースプロファイル算出部４２、カットレート算出部４３、評価指標作成部４４、移動速度算出部４５、設定入力部４６、メモリ４７、パッド高さ検出部４８を備えており、研磨パッド１１のプロファイルを取得するとともに、所定のタイミングで、スキャンエリアにおけるドレッサ２３の移動速度が最適になるように設定する。

ドレスモデル設定部４１は、スキャンエリアでの研磨パッド１１の研磨量を算出するためのドレスモデルＳを設定する。ドレスモデルＳは、モニタエリアの分割数をｍ（本実施例では１０）、スキャンエリアの分割数をｎ（本実施例では７）としたときのｍ行ｎ列の実数行列であり、後述する各種パラメータによって決定される。

研磨パッド１１で設定された各スキャンエリアにおけるドレッサのスキャン速度をＶ＝［ｖ₁、ｖ₂、…、ｖ_n］、各スキャンエリアの幅をＷ＝［ｗ₁、ｗ₂、…、ｗ_n］としたとき、各スキャンエリアでのドレッサ（の中心）の滞在時間は、
Ｔ＝Ｗ／Ｖ＝［ｗ₁／ｖ₁、ｗ₂／ｖ₂、…、ｗ_n／ｖ_n］
で表される。このとき、各モニタエリアにおけるパッド摩耗量をＵ＝［ｕ₁、ｕ₂、…、ｕ_m］としたとき、前述のドレスモデルＳと各スキャンエリアでの滞在時間Ｔとを用いて、
Ｕ＝ＳＴ
の行列演算を行うことで、パッド摩耗量Ｕが算出される。

ドレスモデル行例Ｓの導出においては、例えば、１）カットレートモデル、２）ドレッサ径、３）スキャン速度制御の各要素を考慮し、適宜組み合わせることができる。カットレートモデルに関しては、ドレスモデル行列Ｓの各要素が、モニターエリアでの滞在時間に比例する、あるいは、引っ掻き距離（移動距離）に比例することを前提として設定する。

また、ドレッサ径に関しては、ドレッサの径を考慮（ドレッサの有効エリア全体にわたって同一のカットレートに従い研磨パッドが摩耗する）、あるいは考慮しない（ドレッサの中心位置のみでのカットレートに従う）ことを前提に、ドレスモデル行列Ｓの各要素を設定する。ドレッサー径を考慮すると、例えばダイヤモンド粒子がリング状に塗布されたドレッサーに対しても適切なドレスモデルを定義することができる。さらに、スキャン速度制御に関しては、ドレッサの移動速度の変化がステップ状か、スロープ状のいずれかに応じて、ドレスモデル行列Ｓの各要素を設定する。これらのパラメータを適宜組み合わせることにより、ドレスモデルＳからより実態に合致したカット量を算出して、正しいプロファイル予想値を求めることができる。

パッド高さ検出部４８は、パッド高さセンサ３２によって連続的に測定された研磨パッドの高さデータと、当該研磨パッド上の測定座標データとを対応づけて、各モニターエリアにおけるパッド高さを検出する。

ベースプロファイル算出部４２は、収束時におけるパッド高さの目標プロファイル（ベースプロファイル）を算出する（図６参照）。ベースプロファイルは、後述する移動速度算出部４５で使用する目標カット量の計算に用いられる。ベースプロファイルは、パッド初期状態における研磨パッドの高さ分布（Diff(j)）と測定されたパッド高さとに基づき計算しても良いし、あるいは、設定値として与えても良い。また、ベースプロファイルを設定しない場合には、研磨パッドの形状がフラットになる目標カット量を計算しても良い。

目標カット量のベースは、現時点でのモニタエリア毎のパッド高さを示すパッド高さプロファイルＨ_p(j)[j=1, 2…m]と、別途設定された収束時目標減摩量Ａ_tgを用いて、次式にて算出される。
min[Ｈ_p(j)] −Ａ_tg
また、各モニタエリアの目標カット量は、前述したベースプロファイルを考慮して、次式にて算出することができる。
min[Ｈ_p(j)] −Ａ_tg＋Diff(j)

カットレート算出部４３は、各モニタエリアにおけるドレッサのカットレートを算出する。例えば、各モニタエリアにおけるパッド高さの変化量の傾きからカットレートを算出しても良い。

評価指標作成部４４は、後述する評価指標を用いて、スキャンエリアでの最適な滞在時間（揺動時間）を算出して補正することで、各スキャンエリアでのドレッサの移動速度を最適化するものである。この評価指標は、１）目標カット量からの偏差、２）基準レシピでの滞在時間からの偏差、及び、３）隣接するスキャンエリア間での速度差に基づく指標であり、各スキャンエリアでの滞在時間Ｔ＝［ｗ₁／ｖ₁、ｗ₂／ｖ₂、…、ｗ_n／ｖ_n］の関数となる。そして、当該評価指標が最小となるように各スキャンエリアでの滞在時間Ｔを定めることで、ドレッサの移動速度が最適化される。

１）目標カット量からの偏差
ドレッサの目標カット量をＵ₀＝［Ｕ₀₁、Ｕ₀₂、…、Ｕ_0m］としたとき、前述した各モニタエリアでのパッド摩耗量Ｕ（＝ＳＴ）との差の二乗値（｜Ｕ−Ｕ₀｜²）を求めることで、目標カット量からの偏差を算出する。なお、目標カット量を決めるためのターゲットプロファイルは、研磨パッドの使用開始後の任意のタイミングで決定することができ、あるいは手動で設定された値に基づいて決定するようにしても良い。

２）基準レシピでの滞在時間からの偏差
図７に示すように、各スキャンエリアで設定された基準レシピに基づくドレッサの移動速度（基準速度（基準滞在時間Ｔ₀））と、各スキャンエリアにおけるドレッサの移動速度（ドレッサの滞在時間Ｔ）との差（ΔＴ）の二乗値（ΔＴ²＝｜Ｔ−Ｔ₀｜²）を求めることで、基準レシピでの滞在時間からの偏差を算出することができる。ここで、基準速度とは、各スキャンエリアにおいてフラットのカットレートが得られると見込まれる移動速度であり、予め実験やシミュレーションによって得られた値である。基準速度をシミュレーションによって求める場合は、例えば、ドレッサの引っ掻き距離（滞在時間）と研磨パッドのカット量が比例するとして、求めることができる。なお、基準速度は、同一の研磨パッドの使用中に、実際のカットレートに応じて適宜更新するようにしても良い。

３）隣接するスキャンエリア間での速度差
本実施形態に係る研磨装置では、さらに、隣接するスキャンエリアでの速度差を抑えることで、移動速度の急激な変化に伴う研磨装置への影響を抑制している。すなわち、隣接するスキャンエリアでの速度の差の二乗値（｜ΔＶ_inv｜²）を求めることで、隣接するスキャンエリア間での速度差の指標を算出することができる。ここで、図７に示すように、スキャンエリア間の速度差としては、基準速度の差（Δ_inv）又はドレッサの移動速度（Δ_v）のいずれかを適用することができる。なお、スキャンエリアの幅は固定値であるため、速度差の指標は、各スキャンエリアでのドレッサの滞在時間に依存する。

評価指標作成部４４は、これら３つの指標に基づき、次式で示される評価指標Ｊを定義する。
Ｊ＝γ｜Ｕ−Ｕ₀｜²＋λ｜Ｔ−Ｔ₀｜²＋η｜ΔＶ_inv｜²
ここで、評価指標Ｊの右辺の第１項、第２項及び第３項は、それぞれ、目標カット量からの偏差、基準レシピでの滞在時間からの偏差、隣接するスキャンエリア間での速度差に起因する指標であり、いずれも各スキャンエリアでのドレッサの滞在時間Ｔに依存する。

そして、移動速度算出部４５では、評価指標Ｊの値が最小値をとるような最適化演算を行って、各スキャンエリアでのドレッサの滞在時間Ｔを求め、ドレッサの移動速度を補正する。最適化演算の手法としては、二次計画法を用いることができるが、シミュレーションによる収束演算やPID制御を用いてもよい。

上記の評価指標Ｊにおいて、γ、λ及びηは所定の重み付け値であり、同一の研磨パッドの使用中に適宜変更することができる。これら重み付け値を変更することで、研磨パッドやドレッサの特性や装置の稼働状況に応じて、重視すべき指標を適宜調整することができる。

なお、ドレッサの移動速度を求める際に、合計ドレス時間が所定値以内になるようにすることが好ましい。ここで、合計ドレス時間とは、ドレッサによる全揺動区間（本実施例ではスキャンエリアＳ１〜Ｓ７）の移動時間である。合計ドレス時間（ドレッシングに要する時間）が長くなると、ウェハの研磨行程や搬送行程等の他の行程に影響を与える可能性があるため、この値が所定値を超えないように、各スキャンエリアでの移動速度を適宜補正することが好ましい。また、装置の機構上の制約があるため、ドレッサの最大（及び最小）移動速度、並びに、初期速度に対する最大速度（最小速度）の割合についても、設定値以内になるように、ドレッサの移動速度を設定することが好ましい。

なお、移動速度算出部４５は、新しいドレッサと研磨パッドの組み合わせで適切なドレス条件が不明な場合や、ドレッサや研磨パッドの交換直後のようにドレッサの基準速度（基準滞在時間Ｔ₀）が決まっていない場合には、目標カット量からの偏差の条件のみを用いて評価指標Ｊ（下記）を定め、各スキャンエリアでのドレッサの移動速度を最適化（初期設定）するようにしても良い。
Ｊ＝｜Ｕ−Ｕ₀｜²

設定入力部４６は、例えばキーボードやマウス等の入力デバイスであり、ドレスモデル行列Ｓの各成分の値、制約条件の設定、カットレート更新サイクル、移動速度更新サイクルといった各種パラメータを入力する。また、メモリ４７は、ドレッシング監視装置３５を構成する各構成要素を動作するためのプログラムのデータや、ドレスモデル行列Ｓの各成分の値、ターゲットプロファイル、評価指標Ｊの重み付け値、ドレッサの移動速度の設定値といった各種データを記憶する。

図８は、ドレッサの移動速度を制御する処理手順を示すフローチャートである。研磨パッド１１が交換されたことが検知されると（ステップＳ１１）、ドレスモデル設定部４１は、カットレートモデル、ドレッサ径、スキャン速度制御のパラメータを考慮して、ドレスモデル行例Ｓを導出する（ステップＳ１２）。なお、同一種類のパッドの場合、ドレスモデル行列を継続して使用することもできる。

次に、ドレッサの基準速度の計算を行うかどうか（基準速度計算を行う旨の入力が設定入力部４６によりなされたかどうか）を判定する（ステップＳ１３）。基準速度の計算を行う場合には、移動速度算出部４５において、ドレッサの目標カット量Ｕ₀と各モニタエリアでのパッド摩耗量Ｕより、次の評価指標Ｊが最小値となるように、各スキャンエリアでのドレッサの移動速度（滞在時間Ｔ）を設定する（ステップＳ１４）。計算された基準速度を移動速度の初期値として設定してもよい
Ｊ＝｜Ｕ−Ｕ₀｜²

その後、ウェハＷの研磨処理が行われるのに伴い、研磨パッド１１へのドレッシング処理が行われると、パッド高さセンサ３２による研磨面１１ａの高さ（パッド高さ）の測定が行われる（ステップＳ１５）。そして、ベースプロファイルの取得条件（例えば、所定枚数のウェハＷの研磨）が満たされたか否かを判定し（ステップＳ１６）、条件を満たした場合には、ベースプロファイル算出部４２において、収束時におけるパッド高さの目標プロファイル（ベースプロファイル）を算出する（ステップＳ１７）。

その後も、ウェハＷの研磨処理が行われるのに伴い、研磨パッド１１へのドレッシング処理が行われると、パッド高さセンサ３２による研磨面１１ａの高さ（パッド高さ）の測定が行われる（ステップＳ１８）。そして、所定のカットレート計算サイクル（例えば、所定枚数のウェハＷの研磨）に達したか否かを判定し（ステップＳ１９）、達した場合には、カットレート更新部４３において、各スキャンエリアにおけるドレッサのカットレートが算出される（ステップＳ２０）。

さらに、ドレッサの移動速度更新サイクル（例えば、所定枚数のウェハＷの研磨）に達したか否かを判定し（ステップＳ２１）、達した場合には、移動速度設定部４５において、評価指標Ｊが最小となるドレッサの滞在時間を算出することで、各スキャンエリアにおけるドレッサ移動速度の最適化を行う（ステップＳ２２）。そして、最適化された移動速度の値が設定され、ドレッサの移動速度が更新される（ステップＳ２３）。以後は、ステップＳ１８に戻されて、研磨パッド１１が交換されるまで、上記の処理が繰り返される。

上記実施形態では、ウェハＷへの研磨処理に伴い研磨パッドの高さが低下することを前提にして説明しているが、ウェハＷの処理が暫く行われない場合には、研磨パッドが水分を含んで膨潤することで、見かけ上の研磨パッドの高さが増加する場合がある。研磨パッドの膨潤量は、研磨パッドの種類や装置の使用状態により変動するが、膨潤により研磨パッドの高さが変動すると、評価指標Ｊの算定に用いるべきカットレートが負の値となってしまい、その結果、ドレッサの移動速度の算出が不能となり、あるいは算出値が異常な値となる可能性がある。そのような場合には、研磨装置の性能に影響を与え得る。

そこで、図９に示すように、研磨パッドの（実際の）カットレートは急激に変化しないと仮定し、カットレート算出部４３において最新の（直前の）カットレートの計算値を保持しておき、当該カットレートの値と前回のパッド高さの値を用いて、現在のパッド高さを推定するようにしても良い。これにより、ドレッサの移動速度の算出とカットレート計算とを非同期にすることで、カットレートが正確に計算できない状況を回避することができる。

なお、カットレートの計算間隔は、研磨パッドとドレッサの組み合わせにより決定することが好ましい。また、カットレートの計算方法につき、初期のパッド高さと現在の研磨パッドの高さ（測定値）から算出する方法と、前回カットレート計算を行ったときのパッド高さと現在の研磨パッドの高さから算出する方法のいずれかを選択するようにしても良い。

さらに、モニターの対象は研磨パッド高さに限定されず、研磨パッドの表面粗さを測定して当該表面粗さを均一にするような移動速度を計算するようにしても良い。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１０ 研磨ユニット
１１ 研磨パッド
１４ ドレッシングユニット
２３ ドレッサ
２６ ドレッサアーム
３２ パッド高さセンサ
３５ ドレッシング監視装置
４１ ドレスモデル設定部
４２ ベースプロファイル算出部
４３ カットレート算出部
４４ 評価指標作成部
４５ 移動速度算出部
Ｓ１〜Ｓ７ スキャンエリア
Ｍ１〜Ｍ１０ モニタエリア

Claims (13)

1. 研磨部材上で基板を摺接させて当該基板を研磨する研磨装置であって、
   前記研磨部材上で揺動することで当該研磨部材をドレッシングするドレッサであって、移動方向に沿って前記研磨部材上に設定された複数のスキャンエリアにおいて移動速度を調整可能とされるドレッサと、
   前記ドレッサの移動方向に沿って前記研磨部材上に予め設定された複数のモニタエリアにおいて前記研磨部材の表面高さを測定する高さ検出部と、
   前記複数のモニタエリア及び前記複数のスキャンエリアから定義されるドレスモデル行列を作成するドレスモデル行列作成部と、
   目標カット量からの偏差、基準レシピでの滞在時間からの偏差、および隣接するスキャンエリア間での速度差に基づき評価指標を設定する評価指標作成部であって、前記目標カット量からの偏差は、前記ドレッサの目標カット量と前記ドレスモデル行列を用いて算出されるパッド摩耗量との差の二乗値である、評価指標作成部と、
   当該評価指標に基づいて、前記ドレッサの各スキャンエリアにおける移動速度を算出する移動速度算出部と、を備えたことを特徴とする研磨装置。
2. 前記評価指標作成部は、前記スキャンエリアの移動速度と移動速度基準値との差分に基づいて、前記評価指標を設定することを特徴とする、請求項１記載の研磨装置。
3. 前記評価指標作成部はさらに、隣接する前記スキャンエリアの移動速度の差分に基づいて前記評価指標を設定することを特徴とする、請求項１または２記載の研磨装置。
4. 前記評価指標作成部はさらに、隣接する前記スキャンエリアの移動速度の基準値の差分に基づいて、前記評価指標を設定することを特徴とする、請求項１または２記載の研磨装置。
5. 前記評価指標作成部は、前記研磨部材の高さプロファイルの目標値からの差分と、前記移動速度の基準値からの差分と隣接するスキャンエリアの移動速度からの差分について、重み付け係数を設定することを特徴とする、請求項１記載の研磨装置。
6. 複数の前記モニタエリアにおける前記研磨部材のカットレートを算出するカットレート算出部を備えたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか記載の研磨装置。
7. 前記表面高さの測定値より前記研磨部材のカットレートを記憶する記憶部を備え、当該記憶されたカットレートに基づいて前記研磨部材の高さプロファイルを推定することを特徴とする、請求項６のいずれか記載の研磨装置。
8. 前記ドレッサの揺動速度の算出条件として、前記ドレッサが各スキャンエリアに滞在する時間の合計時間に制約を持たせることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか記載の研磨装置。
9. 前記ドレッサの揺動速度の算出条件として、前記ドレッサの揺動速度の上限値及び下限値に制約を持たせることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか記載の研磨装置。
10. 前記ドレッサの揺動速度を算出するために、前記評価指標を最小とする最適化計算を実施することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか記載の研磨装置。
11. 前記最適化計算は二次計画法であることを特徴とする、請求項１０記載の研磨装置。
12. 前記ドレスモデル行列は、カットレートモデル、ドレッサ径、スキャン速度制御の少なくとも１つの要素に基づいて設定されることを特徴とする、請求項１記載の研磨装置。
13. 基板の研磨装置に使用される研磨部材上でドレッサを揺動させて該研磨部材をドレッシングする方法であって、前記ドレッサは移動方向に沿って前記研磨部材上に設定された複数のスキャンエリアにおいて移動速度を調整可能とされており、
    前記ドレッサの移動方向に沿って前記研磨部材上に予め設定された複数のモニタエリアにおいて前記研磨部材の表面高さを測定するステップと、
    前記複数のモニタエリア及び前記複数のスキャンエリアから定義されるドレスモデル行列を作成するステップと、
    目標カット量からの偏差、基準レシピでの滞在時間からの偏差、および隣接するスキャンエリア間での速度差に基づき評価指標を設定するステップであって、前記目標カット量からの偏差は、前記ドレッサの目標カット量と前記ドレスモデル行列を用いて算出されるパッド摩耗量との差の二乗値である、ステップと、
    当該評価指標に基づいて、前記ドレッサの各スキャンエリアにおける移動速度を設定するステップと、を備えたことを特徴とする研磨部材のドレッシング方法。

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